钢结构课程教学方法的探索与实践

杨立军, 刘少斌, 陆守明, 孙 晋



钢结构课程教学方法的探索与实践

杨立军, 刘少斌, 陆守明, 孙 晋

(湖南文理学院 土木建筑工程学院, 湖南 常德, 415000)

分析了当前钢结构课程教学的现状: 课时少, 对学生力学基础要求高, 教学方法单一. 在此基础上提出了钢结构课程教学方法: 构建立体化教学资源库, 采用比较教学法进行教学, 创新课堂演示实验. 实践表明, 这些方法可以有效地促进学生对钢结构教学内容的理解, 明显地提高了教学效果.

钢结构; 教学方法; 教学资源库; 比较教学; 演示实验

钢结构、钢筋混凝土结构、砖混结构是我国现阶段应用最为广泛的三种结构形式, 相对于其它两种结构形式而言, 钢结构具有轻质高强, 良好的塑性和韧性性能, 制作、安装简便, 工期短, 符合工业化要求等特点, 因而在大跨度结构、高屋建筑、工业厂房等方面得到了广泛地应用[1-2]. 另外, 由于大部分钢材都能被有效地回收, 循环利用, 钢结构建筑被誉为21世纪的“绿色建筑”[3]. 我国自1996年钢产量突破一亿吨以来, 钢铁产量的逐年攀升, 钢结构也得到了蓬勃发展, 一大批钢结构标志建筑也应运而生, 如鸟巢、国家体育馆、上海世博演艺中心、上海世博轴, 这些建筑很好地体现了现代技术[4]. 与我国钢结构行业蓬勃发展不协调的是, 钢结构人才培养严重滞后, 专业技术人员缺乏, 尤其缺乏适应设计、施工、管理的高级技术人员和管理人才, 这已成为目前影响整个钢结构行业健康快速发展的“瓶颈”[5-6].

钢结构课程是土木工程专业重要的专业课, 该课程内容丰富, 理论严谨, 实用性强, 注重工程能力的培养, 是一门涉及学科较多且发展很快的课程[7-9]. 然而, 由于目前钢结构课程教学学时不足, 课程对学生的力学基础要求高, 传统的以理论为主的教学方法导致学生眼高手低, 实际从事钢结构设计、施工的能力差. 因此, 分析钢结构课程教学的现状, 探索钢结构课程教学方法就显得相当有必要.

1 钢结构课程教学的现状

1.1 课时少

目前工科各专业普遍存在专业课时紧张的问题, 钢结构课程表现更为明显. 目前各校钢结构课程教学课时基本上是60学时左右, 主要内容为钢结构的连接和节点设计原理、轴心受力构件、受弯构件、拉弯和压弯构件设计计算和单层钢结构厂房的设计等内容, 为今后学习钢结构房屋设计、钢结构桥梁设计、大跨空间结构、轻钢结构、多高层钢结构打下基础, 而一般没有钢结构的后续课程来巩固前面所学, 并进一步学习钢结构设计. 其它专业课, 如《建筑施工》、《建筑结构抗震设计》、《高层建筑结构设计》, 由于本身学时少, 学生毕业后主要从事混凝土结构和砖混结构设计, 往往重点讲述这两种结构, 忽略了钢结构的讲述. 另外, 土木工程关于钢结构的课程设计只有一个, 一般为“梯形钢屋架设计”. 而关于混凝土结构方面的课程设计却有几个, 如“混凝土现浇楼盖设计”、“混凝土单层工业厂房设计”. 其它课程的课程设计也与混凝土结构有关, 如“房屋建筑学课程设计”、“工程造价课程设计”. 学生生产实习和毕业实习中大多从事的是混凝土结构和砖混结构的施工和设计. 毕业设计往往是关于混凝土框架结构的设计, 很少有关于钢结构设计的毕业设计. 正是由于钢结构课时少, 课程设置单一, 使得学生关于钢结构的知识面非常狭窄, 在毕业后对钢结构设计的工作难以上手, 导致我国钢结构人才的数量和质量都得不到较大的提升.

1.2 对学生力学基础要求高

钢结构涉及的计算内容多, 对学生力学基础要求较高, 涉及到的力学有材料力学、结构力学、弹性力学, 以及土木工程本科生没有开设的断裂力学, 如疲劳破坏涉及到断裂力学, 压杆稳定涉及到欧拉稳定理论, 局部稳定涉及到弹性薄板稳定理论, 梁的稳定涉及到开口薄壁杆件约束扭转理论, 而要获得压弯构件整体稳定性的相对精确解，就要使用有限元数值计算方法. 因而钢结构的公式多, 内容繁杂, 记忆困难, 有一些公式和一些数据是通过试验归纳和总结出来的, 需要学生灵活运用相关表格. 特别是稳定理论部分, 占的篇幅较多, 公式推导多, 难度高. 因此在教授相关知识时, 要对相关力学理论进行讲解, 使学生有清晰的力学概念，顺利完成从力学到钢结构的过渡.

1.3 教学方法单一

钢结构课程教学目前以课堂教学为主, 采用以多媒体课件结合传统板书方式教学, 相对于“黑板+粉笔”的传统教学方式有了一定进步. 但由于一般没有安排钢结构参观和实习, 学生对钢结构实体认知有限, 而教学内容大多为抽象的力学模型, 学生不能由力学模型和钢结构图纸在大脑中建立实体模型, 不能有效地将书本知识和实际工程中的梁柱、节点构造等有机结合起来. 造成的问题是, 学生上课听得懂, 下课却不会做作业; 死记硬背能应付考试, 却不知道究竟学会了什么; 能完成单个构件的设计, 却“只见构件, 不见结构”, 对钢结构实际工程手足无措.

2 钢结构课程教学方法探讨

2.1 注重多媒体教学手段, 构建实习观模、多媒体课件、网上资源等多位一体的立体化教学资源库

为了克服钢结构课程课时少, 课程设置单一的问题, 借助现代教学手段, 以高水平多媒体课件和电子教案为核心, 构建实习观摩(实物、模型或录像)、多媒体课件、网上资源等多位一体的立体化教学资源库, 从而激发学生学习兴趣, 拓宽学生视野, 将钢结构课程教学从课堂拓宽到课外. 首先通过实习观摩, 利用实物、模型、动画、视频录像, 激发学生的学习兴趣, 使学生获得关于钢结构相关内容的感性认识. 比如受压构件的屈曲动画真实生动地表现了“弯曲屈曲, 弯扭屈曲, 扭转屈曲”的不同发生方式. 而“普通螺栓和高强螺栓的破坏机理及其区别”的动画演示, 能让学生直观掌握螺栓各种不同的破坏形式和产生原因. 其次, 在课程教学中采用了PPT电子课件、施工录像、工程资料图片等授课方法, 使教学内容形象化, 动态化, 有助于提高学生学习积极性, 有效地提高教学质量和效率. 课堂上集中突出基本概念、基本理论和主要技术要点的讲解和讨论, 在有限的课内学时中加大知识传授容量, 用启发学生思考的模式代替被动接受教学内容的模式. 再次, 将课程资源上网, 学生课外可在网上观看钢结构视频、教学动画、网上测验、交流讨论, 主动增加对钢结构构件、节点构造、实体工程的了解.

2.2 提纲挈领, 将各知识点连珠成线, 采用比较教学法, 融会贯通各知识点

钢结构课程虽然内容繁多, 但是不外乎是研究钢结构和其构件的承载能力极限状态(强度、稳定)和正常使用极限状态, 在教学中列出各极限状态计算公式, 把各知识点连珠成线, 使学生在头脑中形成知识网络, 便于理解和记忆. 教学中分别就这些公式的理论依据、应用方法展开讲述. 这种提纲挈领的教学使得知识脉络清晰, 有利于学生理解掌握.

在讲述钢结构高强度螺栓连接时, 可与普通螺栓对比讲述. 如高强度螺栓承压型连接破坏准则与普通螺栓相同, 所以高强度螺栓承压型连接的单栓抗剪、抗拉承载力计算方法与普通螺栓相同. 而高强度螺栓摩擦型抗剪连接, 其破坏准则为板件发生相对滑移, 因而其计算公式必与摩擦面抗滑移系数和预拉力设计值有关, 而与普通螺栓计算不同. 在螺栓群承受弯矩作用或偏心拉力连接中, 其计算关键是确定螺栓群的中和轴. 将高强度螺栓连接和普通螺栓连接对比讲述, 能加深学生们的印象. 由于普通螺栓在弯矩作用下受拉螺栓截面只是几个孤立螺栓点, 而端板受压区则是宽度较大的实体矩形截面, 因而假定螺栓群的中和轴位于最下排螺栓的形心处. 在偏心拉力作用下, 当偏心较小时, 由于螺栓均承担拉力作用, 连接板件有互相分离趋势, 故此时中和轴假定位于螺栓群形心轴处; 当偏心较大时, 在端板底部将出现受压区, 因而假定螺栓群的中和轴位于最下排螺栓的形心处. 而高强度螺栓连接由于连接板件接触面始终处于紧密接触状态, 弹性性能较好, 可认为是一个整体, 所以假定连接的中和轴与螺栓群形心轴重合.

钢结构连接承受力矩时, 学生往往分不清是弯矩和扭矩, 从而计算时无所适从. 教学时可以采用比较教学法将二者对比讲述. 下面以螺栓群连接为例说明, 从以下两个角度来讲授. 一是看力矩作用位置, 如果力矩作用面平行螺栓群有效截面, 螺栓群受扭矩; 力矩所在平面与螺栓群有效截面垂直, 螺栓群受弯矩; 二是看力矩作用效果, 力矩使被连板件产生相互平行错动, 螺栓群受扭矩; 力矩使被连接构件一端相互分离, 另一端相互压紧, 螺栓群受弯矩.

2.3 创新课堂演示实验, 增加课堂直观性, 加强学生感性认识

由于学生与钢结构工程实例接触不多, 学生对钢结构认识有限, 虽然通过实习观模、多媒体课件、网上资源等多位一体的立体化教学资源库, 学生可增加对钢结构的认识. 但课堂讲述时学生难免碰到对讲述内容存在疑惑的地方, 所以创新课堂演示实验, 增加课堂直观性, 加强学生感性认识也是一个有效的教学手段. 下面以钢结构失稳的演示实验说明. 用普通纸片模拟钢板, 把一张普通纸片卷成圆柱形状, 此时圆柱壁厚为单张纸的厚度. 然后将圆柱置于一水平面上对圆柱施压. 在压力作用下, 纸质圆柱表面逐步出现凹凸不平的现象, 即纸片在压力作用下屈曲. 该试验模拟了钢结构局部失稳的现象. 把一本书卷成圆柱形状, 此时圆柱壁厚为一本书的厚度. 同样, 将圆柱底部置于一水平面上对圆柱施压, 在压力作用下, 纸质圆柱表面不再屈曲, 圆柱失效是由于结构发生整体倾斜造成的. 该实验模拟了钢结构构件整体失稳的现象. 由局部失稳变到整体失稳, 在于增加了纸质圆柱厚度, 构件由板件宽厚比起控制作用的承载能力极限状态过渡到了整体屈曲起控制作用的极限状态. 通过该课堂演示实验, 学生可很好地把握钢结构整体失稳和局部失稳的区别和影响因素.

[1] 葛家琪, 张爱林, 杨维国, 等. 基于性能的大跨度钢结构设计研究[J]. 建筑结构学报, 2011, 32(12): 29-36.

[2] 吴晓, 杨立军. 关于钢结构构件搭接问题的计算[J]. 湖南文理学院学报: 自然科学版, 2009, 21(2): 29-31.

[3] 徐建华, 王东. 绿色建筑风潮之下的钢结构发展[J]. 中国建筑金属结构, 2011 (4): 48-49.

[4] 张胜, 周锡玲, 陈斌, 等. 土木工程专业《钢结构》课程教学研究改革探讨[J]. 长沙大学学报, 2012, 26(1): 117-118.

[5] 李方慧, 田春竹. 钢结构设计课程实践教学方法探讨[J]. 高等建筑教育, 2011, 20(1): 135-137.

[6] 孙德发, 刘俊英, 牛志荣, 等. 钢结构课程教学改革探索与实践[J]. 高等建筑教育, 2012, 21(1): 66-68.

[7] 王新武. 基于“卓越工程师计划”的钢结构课程教学启示[J]. 洛阳理工学院学报: 自然科学版, 2012, 22(1): 94-96.

[8] 麻文娜. “钢结构”课程教学方法探讨[J]. 中国电力教育, 2012 (22): 80, 87.

[9] 郭小农, 罗永峰, 蒋首超, 等. 钢结构稳定教学研究[J]. 高等建筑教育, 2011, 20(2): 46-48.

Research and practices of teaching methods of steel structure course

YANG Li-jun, LIU Shao-bin, LU Shou-ming, SUN Jin

(College of Civil and Architecture Engineering, Hunan University of Arts and Science, Changde 415000, China)

The present situation of steel structure courseteachingwas given as follows: insufficient teaching hours, high requirements to mechanics for students, tedious teaching methods, and so on. And the analysis and suggestions were put forward about teaching methods of steel structure course. They were as follows: (1) constructing stereoscopic teaching resources library. (2) Adopting comparison teaching method. (3) Innovating classroom demonstration experiment. The practice showed that, these methods can effectively promote students to understand the teaching content and improve the teaching effect.

steel structure; teaching method; teaching resources library; comparison teaching; demonstration experiment

G 642.0

1672-6146(2012)04-0070-03

10.3969/j.issn.1672-6146.2012.04.015

2012-10-09

湖南省教育厅科研项目(12C0823、10C1007).

杨立军(1976-), 男, 副教授, 博士生, 研究方向: 建筑结构理论教学与研究. E-mail: yanglj9601@163.com.

(责任编校:谭长贵)